民航機務工程專業“航空材料學”教學內容和方法探討

金冉等

摘 要： 針對民航機務工程專業學生的特點，對《航空材料學》課程教學內容進行刪減和補充，注重實例講述，重點講述鋁合金、鈦合金、超高強度鋼、高溫材料和復合材料。在教學過程中通過各種小實驗、圖片、動畫、視頻和航空有關各種案例和故事，提高學生對該門課程的學習興趣、教學質量和成效。

關鍵詞： 航空材料 民航機務 教學內容 教學方法

航空材料與航空技術的關系極為密切，隨著航空材料的發展，航空業不斷向前發展。機務維修人員必須對航空材料有所了解，所以民航機務工程的教學計劃中有一門針對材料的重要專業課程，就是《航空材料學》。

1.教學內容

航空材料指的是用來制造航空飛行器的材料。民用飛機包括飛機機體、發動機、機載設備和機艙四大部分材料，機體和發動機使用的材料為結構材料，機載設備使用的則是功能材料。對于民航機務工程專業的同學們來說，以后從事的工作主要是飛機機體和發動機部分的維修，所以在對本專業同學講述《航空材料學》這門課程的時候，主要講述的是結構材料。

在教材選取方面，與航空材料相關的書籍不少，如哈爾濱工業大學出版社的《航空材料學》，此教材內容較簡要，而民航機務專業學生沒有任何材料方面的先修課程作為基礎，所以對于他們而言并不太適合。除此以外，如北京航空航天大學出版社的《航空工程材料》，國防工業出版社出版的《航空工程材料及應用》等，這些教材是專門為高職類航空院校編寫的，本作者所在院校為獨立學院。而且這些教材和機械類工程材料的教材相似度較高，偏重于傳統鋼鐵材料，對飛機上使用的鋁合金、鈦合金、高溫合金、復合材料等的描述較少，缺乏材料在飛機上的應用實例，而機務維修注重的恰恰是應用。當然也有論述航空材料非常詳細、非常全面的書籍，如航空工業出版社出版的《航空材料技術》，但內容太多且比較深奧外加價格較貴，并不適合作為教材。在教學過程中，以高職教材作為基礎，對傳統鋼進行壓縮，基本舍棄鑄鐵部分，對鋁合金、鈦合金、超高強度鋼、高溫材料、復合材料進行內容上的增加和補充，詳細介紹航空材料在飛機上的具體應用。同時考慮到機務工程專業除材料力學以外沒有學習過材料類知識，對大量概念、術語難以理解，所以首先應對材料的基礎知識進行介紹，包括材料的性能、結構和工藝，隨后再具體介紹各類航空材料及應用。

1.1航空材料基礎知識。

基礎知識部分主要包括三方面內容——材料的性能、結構和工藝。材料的結構和工藝決定了材料的性能，而材料的結構和工藝又是相互影響的。性能部分包括材料的使用性能和工藝性能，重點講述使用性能中的力學性能；結構部分包括純金屬的結構與結晶，合金的相結構與結晶的過程（合金相圖）。主要通過“鐵碳合金相圖”說明材料的化學成分、組織結構與性能之間的相互關系；工藝部分包括金屬的塑性變形與再結晶、鋼的熱處理。主要說明如何通過改變加工工藝從而改變材料組織，最終達到改變性能的目的。

1.2航空材料。

航空材料部分具體講述的包括鋁合金、鈦合金、超高強度鋼、高溫材料和復合材料。

1.2.1鋁合金

鋁合金作為航空器結構材料的最突出特點是密度小、延展性好、耐腐蝕、易加工、價格低等。在當前在役的民用飛機中，鋁合金在總結構用量上占70%～80%的比例。盡管先進復合材料和鈦合金在新型號飛機上應用比例日益提高，但鋁合金由于成本和工藝上的優勢，在可預見的將來仍是民用飛機的主要結構材料之一。隨著航空技術的發展，鋁合金也在不斷發展，如A380上使用的GLARE（玻璃纖維鋁合金層合板）是鋁合金與玻璃纖維的復合材料，提高了材料的壓縮性能、抗沖擊性能、成型性能和切削性能，降低了材料的成本。鋁合金在飛機上的應用非常廣泛，包括蒙皮、桁條、隔框、翼肋、翼梁、壁板、螺旋槳、油箱、起落架支柱等。

1.2.2鈦合金

鈦合金相對于鋁合金等其他結構材料的突出優點包括比強度高、熱強度高、抗蝕性高等。鈦合金的強度和調質結構鋼相近，而鈦合金的密度比鋼低得多，具有高的比強度。而且鈦的熔點高，再結晶溫度也高，所以鈦合金具有較高的熱強度。再加上鈦表面能形成一層致密、穩定的，由氧化物和氮化物組成的保護膜，具有很好的抗蝕性能。在潮濕的大氣、海水、氧化性酸（硝酸、鉻酸等）和大多數有機酸中，抗蝕性與不銹鋼相當，甚至超過了不銹鋼。在民航飛機上鈦合金可以部分替代鋼，大大減輕結構重量；鈦合金也被用來制造航空發動機的壓氣機部件等；航天器中被用來制造各種壓力容器、燃料貯箱、儀器綁帶、殼體等。

1.2.3超高強度鋼

超高強度鋼的特點就是強度高，主要用來制造飛機上的承力構件，最典型的就是起落架。今后，超高強度鋼仍然還是起落架、主要接頭、隔框等一些主要承力構件的材料。

1.2.4高溫材料

隨著航空渦輪發動機推重比的增加，發動機部件的工作環境日益苛刻。航空發動機部件的工作環境要求制造它們的材料必須能夠承受高溫、高應力、氧化和腐蝕等化學作用，所以需選擇具有較高的熱穩定性、高的熱強度、良好的工藝性能的高溫材料。如航空發動機渦輪盤和渦輪葉片的典型材料——鎳基高溫合金，通過定向凝固技術、單晶鑄造、定向共晶自生技術等可以生產出高性能的渦輪葉片；通過粉末冶金技術可以得到高性能的渦輪盤。除此以外，陶瓷基復合材料、碳/碳復合材料、金屬間化合物等都是日后航空發動機熱端部件的候選材料。

1.2.5復合材料

與傳統鋼、鋁合金、鈦合金等金屬相比，復合材料具有高的比強度、比模量、耐疲勞等優點，而且復合材料還具備各種功能性、各向異性、可設計性等特點，所以不管是軍用飛機還是民用飛機，復合材料的使用量都在不斷增加。如B787，按照重量計算，復合材料占了61%；A380上的復合材料占了25%，其中3%是鋁合金玻璃纖維復合材料（GLARE）。

2.教學方法

《航空材料學》這門課程涉及大量抽象概念和名詞，很多微觀組織如果只是靠教師口述講授就比較枯燥，同學們掌握起來也非常困難。教師需要以各種不同形式呈現不同內容。

2.1現場小實驗。

正所謂“眼見為實，耳聽為虛”，如果同學們自己也能參與到課堂當中，那么對該部分內容留下的印象必定是深刻的。如講述“單晶體和多晶體”的時候，可以展示單晶冰糖和多晶冰糖進行類比，通過多晶冰糖說明多晶體是由晶粒和晶界組成的。

講述“斷裂韌性”的時候會涉及裂紋的三種擴展形式——張開型、滑開型和撕開型，而其中張開型最容易擴展。為了說明這樣一個問題，可以準備幾個蘋果，讓同學們分別采用掰、滑和扭的方式把蘋果分成兩瓣，最終發現掰的方式最容易把蘋果分開，證實了張開型最容易擴展的結論。

再如講述“熱加工”的時候可以準備一根鉛絲和一根鋼絲，讓同學們反復折彎，鋼絲在反復折彎的過程中越來越硬，最后斷裂，而鉛絲卻一直處于很軟的狀態。通過這樣一個實驗現象說明兩者的再結晶溫度不同，鉛絲在室溫下變形其實是熱加工的過程，而鋼絲則是冷加工的過程。

在講述“退火、正火、淬火和回火”的時候，可以準備一盞酒精燈、兩根鋼絲、一把鉗子和一杯冷水。用鉗子夾住鋼絲在酒精燈上加熱，加熱到鋼絲發紅以后，把其中一根放在空氣中慢慢冷卻，另一根放在冷水中快速冷卻。等到兩根鋼絲完全冷卻以后，讓同學們分別對它們折彎，用水冷卻的比較硬而自然冷卻的比較軟，由此說明淬火和正火的區別。

在講述“纖維組織”的時候，為了便于同學們理解纖維組織的各向異性可以給同學們分發“牛肉干”，讓他們分別橫向咬及縱向咬。橫著咬牛肉干比較難以咬斷，豎著咬則很容易把牛肉撕下來。

……

這樣一些小實驗可以讓同學們對所學內容興趣大增，同時可以幫助他們理解和掌握相關知識。

2.2充分運用多媒體。

與文字相比，圖片、動畫、視頻更能讓人留下深刻的印象，更能幫助人理解抽象的事物。如講述“材料的力學性能”的時候并不是所有實驗都可以動手操作，播放視頻可以幫助同學們理解和掌握；講述“疲勞現象”的時候，以2007年美軍的F-15由于服役年限太長最終因為疲勞發生空中解體的視頻作為引子，讓同學們留下深刻的印象；把“晶胞”“晶粒生長的過程”……做成動畫的形式，有助于同學們把抽象的事物具體化，降低理解的難度；講述“復合材料”的時候，可以利用視頻更好地幫助同學們理解復合材料的性能、優點，等等。如國家地理頻道拍攝的有關A380的技術問題的紀錄片中就很好地講述了復合材料的結構和性能，從成吉思汗打仗時候用的弓講起說明復合材料性能的優越性。再使用“雞大炮”分別轟擊鋁合金板和加了玻璃纖維的鋁合金板（GLARE），對比出后者的優越性能。這樣的視頻從視覺上就對同學們產生了很大的沖擊，使同學們印象深刻，加深記憶和理解。

2.3結合專業背景，多運用案例。

本門課程的授課對象是機務維修專業的學生，所以講述內容的時候不能脫離民航這個大背景，這樣同學們才會覺得和自己息息相關。如在緒論部分講述材料的發展史的時候以材料在航空中的應用為實例。100多年前（1903-1919），人們用來制作飛機的材料是木材和布，如萊特兄弟研發的“飛行者一號”，順帶講講萊特兄弟的有趣事情；20世紀30年代，鋁合金和鋼開始發展，鋼管開始代替木材作為飛機的骨架，飛機的蒙皮開始使用鋁合金，出現了金屬結構的飛機。飛機的強度提高了，氣動外形變好了，飛機的性能提高了。如德國在二戰中使用的主力戰機“Me-109型戰斗機”；50年代，鈦合金的應用使得飛機能夠實現幾倍音速飛行，如美國的“SR-71黑鳥偵察機”就可以達到三倍音速；70年代，復合材料的應用大大減輕飛機的重量，復合材料被用在一些不需要承受載荷的地方，如艙門、口蓋，后來逐漸開始用來制作一些次承力結構，如減速板、尾翼。如美國的“F-14戰斗機”，復合材料的使用量達到了20%。目前，不管是民航飛機還是軍用飛機都廣泛使用復合材料，如“F-35”，“B787”，“A380”，等等。通過這樣一系列案例的描述，同學們理清了航空材料的發展史，也提高了學習興趣。

除了上面所述的幾點以外，老師還需要根據同學們上課的反應實時調整教學形式，甚至可以選取某些簡單的章節讓同學們準備內容上講臺講述，老師可以適當補充。通過多樣化教學方式提高同學們的學習興趣。

3.結語

針對民航機務工程專業的學生，在教授《航空材料學》這門課程的時候應多注重實例講述。首先介紹材料的基礎知識，然后分別介紹各種材料。對鋼的部分進行壓縮，基本舍棄鑄鐵的部分，重點講述鋁合金、鈦合金、超高強度鋼、高溫材料和復合材料部分內容。在教學過程中通過各種小實驗、圖片、動畫、視頻、和航空有關的各種案例和故事……提高同學們對該門課程的學習興趣，使同學們輕松掌握航空材料的相關知識，為以后工作打下堅實的基礎。

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